Geophysiker entdecken Zusammenhang zwischen seismischen Wellen (sogenannten PKP-Vorläufern) und seltsamen Anomalien im Erdmantel

Seit ihrer Entdeckung haben seismische Signale, die als PKP-Vorläufer bekannt sind, die Wissenschaftler vor Herausforderungen gestellt. Regionen im unteren Erdmantel streuen eingehende seismische Wellen, die als PKP-Wellen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit zur Oberfläche zurückkehren.

Der Ursprung der Vorläufersignale, die vor den großen seismischen Wellen eintreffen, die sich durch den Erdkern bewegen, war bislang unklar, doch Forschungen unter der Leitung von Geophysikern der University of Utah werfen neues Licht auf diese mysteriöse seismische Energie.

PKP-Vorläufer scheinen sich von Orten tief unter Nordamerika und dem westlichen Pazifik auszubreiten und stehen möglicherweise in Verbindung mit „Zonen mit extrem niedriger Geschwindigkeit“, dünnen Schichten im Erdmantel, in denen seismische Wellen deutlich langsamer werden, heißt es in einer in AGU Fortschritte.

„Dies sind einige der extremsten Strukturen, die auf dem Planeten entdeckt wurden. Wir wissen wirklich nicht, was sie sind“, sagte der Hauptautor Michael Thorne, außerordentlicher Professor für Geologie und Geophysik an der University of California. „Aber eines wissen wir: Sie scheinen sich unter Hotspot-Vulkanen anzusammeln. Sie scheinen die Wurzel ganzer Mantelplumes zu sein, die Hotspot-Vulkane entstehen lassen.“

Diese Fontänen sind für den Vulkanismus verantwortlich, der im Yellowstone-Nationalpark, auf den Hawaii-Inseln, in Samoa, Island und den Galapagosinseln beobachtet wird.

„Diese wirklich, wirklich großen Vulkane scheinen Hunderte Millionen Jahre lang an ungefähr derselben Stelle zu existieren“, sagte Thorne. Bei früheren Arbeiten hatte er auch eine der weltweit größten bekannten Zonen mit extrem niedriger Strömungsgeschwindigkeit entdeckt.

„Er liegt direkt unter Samoa und Samoa ist einer der größten Hotspot-Vulkane“, bemerkte Thorne.

Seit fast einem Jahrhundert erforschen Geowissenschaftler das Erdinnere mit seismischen Wellen und haben dabei zahlreiche Entdeckungen gemacht, die sonst nicht möglich gewesen wären. Andere Forscher an der U haben beispielsweise die Struktur des festen Erdkerns charakterisiert und seine Bewegung durch die Analyse seismischer Wellen verfolgt.

Wenn ein Erdbeben die Erdoberfläche erschüttert, schießen seismische Wellen durch den Erdmantel – die 2.900 Kilometer dicke dynamische Schicht aus heißem Gestein zwischen Erdkruste und Metallkern. Thornes Team interessiert sich für jene Wellen, die „zerstreut“ werden, wenn sie durch unregelmäßige Strukturen laufen, die Veränderungen in der Materialzusammensetzung des Erdmantels bewirken. Einige dieser zerstreuten Wellen werden zu PKP-Vorläufern.

Thorne wollte genau bestimmen, wo diese Streuung stattfindet, insbesondere da die Wellen den Erdmantel zweimal durchlaufen, nämlich vor und nach dem Durchgang durch den flüssigen äußeren Erdkern. Aufgrund dieser doppelten Reise durch den Mantel war es nahezu unmöglich zu unterscheiden, ob die Vorläufer auf der Quellen- oder Empfängerseite des Strahlengangs entstanden.

Thornes Team, zu dem auch der wissenschaftliche Assistenzprofessor Surya Pachhai gehörte, entwickelte eine Methode zur Modellierung von Wellenformen, um entscheidende Effekte zu erkennen, die zuvor unbemerkt blieben.

Mithilfe einer hochmodernen Methode zur seismischen Array-Analyse und neuer theoretischer Beobachtungen aus Erdbebensimulationen analysierten die Forscher Daten von 58 Erdbeben, die sich in der Umgebung von Neuguinea ereigneten und nach ihrem Durchgang durch den Planeten in Nordamerika aufgezeichnet wurden.

„Ich kann virtuelle Empfänger überall auf der Erdoberfläche platzieren und diese sagen mir, wie das Seismogramm eines Erdbebens an diesem Ort aussehen sollte. Und wir können das mit den realen Aufzeichnungen vergleichen, die wir haben“, sagte Thorne. „Wir können jetzt rückrechnen, woher diese Energie kommt.“

Mithilfe ihrer neuen Methode konnten sie genau bestimmen, wo die Streuung entlang der Grenze zwischen dem äußeren Erdkern aus flüssigem Metall und dem Erdmantel stattfand. Diese Grenze wird als Kern-Mantel-Grenze bezeichnet und liegt 2.900 Kilometer unter der Erdoberfläche.

Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass die PKP-Vorläufer wahrscheinlich aus Regionen stammen, in denen es Zonen mit extrem niedriger Geschwindigkeit gibt. Thorne vermutet, dass diese nur 20 bis 40 Kilometer dicken Schichten dort entstehen, wo subduzierte tektonische Platten auf die Kern-Mantel-Grenze in der ozeanischen Kruste stoßen.

„Wir haben jetzt herausgefunden, dass diese Zonen mit extrem niedriger Geschwindigkeit nicht nur unter den Hotspots existieren. Sie sind über die gesamte Kern-Mantel-Grenze unter Nordamerika verteilt“, sagte Thorne. „Es sieht wirklich so aus, als würden diese ULVZs aktiv erzeugt. Wir wissen nicht, wie. Aber weil wir sie in der Nähe von Subduktionszonen sehen, glauben wir, dass Mittelozeanische Rückenbasalte schmelzen, und so wird es erzeugt. Und dann treibt die Dynamik diese Dinge über die ganze Erde, und letztendlich werden sie sich unter den Hotspots ansammeln.“

Die Dynamik treibt diese Dinge über die ganze Erde und letztendlich werden sie sich an den Grenzen großer Provinzen mit niedriger Geschwindigkeit ansammeln, bei denen es sich laut Thorne um kontinentale Strukturen mit unterschiedlicher Zusammensetzung unterhalb des Pazifiks und Afrikas handelt.

„Sie könnten sich zusätzlich unter den Hotspots ansammeln, aber es ist unklar, ob diese ULVZs durch denselben Prozess erzeugt werden“, sagte er. Die Folgen eines solchen Prozesses können erst durch zukünftige Forschungen bestimmt werden.